封面 | 片上源设备无关量子随机数发生器
封面 | 片上源设备无关量子随机数发生器
量子随机数发生器（QRNG）是利用量子资源的内禀随机性产生真随机数的设备，在密码学、科学模拟和计算等领域具有广泛的应用前景。近日，上海交通大学曾贵华教授团队在该领域取得重要突破，成功实现了首个片上源设备无关量子随机数发生器（SDI-QRNG），为量子资源的规模化应用铺平了道路。
PhotonicsResearch2024年第7期On theCover：
Lang Li, Minglu Cai, Tao Wang, Zicong Tan, Peng Huang, Kan Wu, Guihua Zeng, "On-chip source-device-independent quantum random number generator," Photonics Res. 12, 1379 (2024)
真随机性是量子资源固有基本属性，在密码学、科学模拟和计算等领域应用广泛。量子随机数发生器可利用量子资源的内禀随机性，产生理论不可预测的真随机数，但面临着量子资源被黑客控制的潜在风险。半设备无关量子随机数发生器协议能有效剔除窃听熵，从而提升一般量子随机数发生器的安全性。然而，该协议以往方案复杂度高，且难以同时保障片上的安全性和随机性，因此其芯片化进程缓慢，限制了量子资源的随机性规模化部署与利用。该封面文章提出了一种新颖的超紧凑、高安全、大带宽的片上源设备无关量子随机数发生器方案，并实现了首个源设备无关量子随机数发生器芯片，为室温下大规模、低成本和安全部署量子资源的随机性铺平了道路，是半设备无关量子随机数发生器领域实用化发展的重要里程碑。
源设备无关（SDI）的量子随机数发生器（QRNG）是一种测量设备可信而熵源不可信的半设备无关量子随机数发生器，在熵源面对潜在攻击的情况下仍能剔除窃听熵，从而确保利用量子资源获取随机数的安全性和真实性。通常情况下，SDI-QRNG的工作原理可以描述为：随机性由量子态的本征不确定性保证，安全性由对测量基选择随机波动偏差的估计实现。其中，随机性来源于量子资源的本质不确定性，安全性则通过评估窃听熵得到保证。因此，SDI-QRNG可以在不信任熵源的情况下生成安全的随机数。
如何同时保障片上SDI-QRNG的随机性和安全性是实现集成化所面临的主要挑战。首先，为确保量子随机性的高效检测利用，必须在芯片上实现高速且无失真的量子资源检测，这决定了QRNG能够获得多少量子熵；其次，安全性问题存在于芯片的物理环境中，实际侧信息量的界定十分复杂，这决定了随机数中有多少信息量仍保持安全。这两项挑战同时存在于单片集成过程，此前尚未有成功实现片上SDI-QRNG的报道。
为此，上海交通大学曾贵华教授团队、吴侃教授团队和上海循态量子科技有限公司合作，提出并实现了一种片上源设备无关量子随机数发生的新方案：基于片上真空态的大带宽无失真相干检测获取高保真的随机性，并利用芯片物理条件约束下的熵测不准新机理克服片上SDI-QRNG因不可拆卸性而面临的实际安全性问题，通过最大化测量基选择随机波动偏差精确标定剔除窃听熵后的量子安全熵界，从而同时确保片上SDI-QRNG的随机性和安全性。该方案在尺寸为2.9 mm × 4.5 mm的光子线路中实现了封装带宽为146.2 Mbps的安全比特生成速率和理论最高可达248.47 Gbps的成码率，且提取的所有安全比特均通过了NIST随机性测试，具备简易、高效的优势。该研究首次验证了SDI-QRNG片上实现的可行性，为进一步实现室温下大规模、低成本和安全性部署量子资源铺平了道路。相关研究成果以“On-chip source-device-independent quantum random number generator”为题发表于PhotonicsResearch2024年第7期，被遴选为封面文章。
该工作提出的片上SDI-QRNG方案如图1所示。该方案基于真空态相干检测，输入状态为真空状态，激光用于正交分量测量，包括光栅耦合器（GC）、相位调制器（PM）、衰减器（Att）、多模干涉分路器（MMI）、任意波形发生器（AWG）、光电探测器（PD）和数字信号示波器（DSO）。该方案通过对本地振荡器（LO）进行相位调制实现片上随机测量基切换，以根据熵不确定性原理（EUP）确保随机数生成的安全性，从而同时保证随机性和安全性。
图1 在SiPh光子集成芯片（PIC）上集成SDI-QRNG的示意图
基于真空态的片上SDI-QRNG信号处理流程如图2所示。该工作通过随机施加驱动校验正则分量发生的调制电压信号，从而获取非互易的正交分量用于界定剔除窃听熵后的量子条件最小安全熵。当出现用于选择校验正则分量（灰点）测量基的切换控制信号脉冲时，将获得校验数据并用于估计实际片上量子熵的界，该界决定了原始随机数位的剩余熵有多少是安全的。根据上述的协议，使用校准的强随机性提取子可保护原始随机数的安全。此外，片上SDI-QRNG生成的部分安全随机位被反馈以增强测量基选择的随机性。
图2 基于真空态的片上SDI-QRNG信号处理流程示意图。（a）安全随机比特的生成结构；（b）用于安全熵估计的测量基切换控制调制电压信号
SiPh PIC上的源设备无关芯片实物电镜图如图3所示。LO经过1550 nm窄线宽激光器，由垂直GC耦合到芯片后，通过由AWG驱动的PM。AWG在生成校验正交测量基的选择信号时提供安全随机比特对PM进行控制。同时，LO和真空态通过50:50 MMI分束器并在干涉后进入PD，PD的输出由DSO监控，然后通过示波器对输出差分电流信号进行采样。图3（b）展示了光电探测器的显微图，基于Ge PIN PD的PD用于光检测，其尺寸为16 μm × 23 μm。
图3 SiPh PIC上的源设备无关芯片电镜图。（a）SDI-QRNG芯片的整体微观视图；（b）光电探测器的显微照片
在SiPh SDI-QRNG PIC上对真空态进行实验零差测量结果如图4所示，其中图4（a）表示每帧中散粒噪声的正交分量P和Q，图4（b）表示PM上的开关驱动信号。
图4 在SiPh SDI-QRNG PIC上对真空态进行实验零差测量的结果图
250 kHz测量基切换下各采样的量子条件最小熵如图5所示。表示250 kHz基切换下各原始样本的量子条件最小熵，表示考虑有限码长效应后250 kHz下各原始样本的量子条件最小熵。
图5 250 kHz测量基切换下各采样的量子条件最小熵
第一作者李琅博士表示：“基于半设备无关量子安全协议的量子随机数发生器，兼顾了安全性和可用性，具有广阔应用前景。本工作提出的芯片物理条件约束下的熵不确定性新机理支撑的集成化源设备无关安全方案，能同时克服量子随机性大带宽无失真探测和精确界定片上量子条件最小安全熵的挑战，结构紧凑简易，验证了源设备无关量子随机数发生的芯片化实现的可行性。由于该方案基于真空态涨落干涉的物理基础，该芯片的码率理论上最高可达248.47 Gbps，为室温下进一步大规模、低成本和高安全部署量子资源的随机性铺平了道路。”